5G關(guān)鍵技術(shù)及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景

何金圣

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，近年來，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展。現(xiàn)階段，5G的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，這些技術(shù)的研發(fā)有效地解決了現(xiàn)階段無線傳輸以及無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的問題，從而促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速發(fā)展。同時(shí)，通過5G技術(shù)的應(yīng)用，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)了全方位的環(huán)境監(jiān)測(cè)以及精細(xì)化控制，從而推動(dòng)了我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力提升。本文基于此，對(duì)5G的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)做了介紹，并分析了其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景，以期為相關(guān)工作者提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：5G；關(guān)鍵技術(shù)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；應(yīng)用前景；物聯(lián)網(wǎng)

5G作為第四代移動(dòng)通信技術(shù)后的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，在近些年來隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的成熟得到了快速的發(fā)展，預(yù)計(jì)在2019年，5G技術(shù)就能夠全面投入商用。相較于4G，5G擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度以及頻譜利用率，因此，5G的普及使得大容量信息傳輸、機(jī)器設(shè)備通信以及智能化網(wǎng)絡(luò)成為了現(xiàn)實(shí)。

一、5G關(guān)鍵技術(shù)的成熟在物聯(lián)網(wǎng)以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的意義

1.1 5G關(guān)鍵技術(shù)的成熟對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的影響

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)商品與互聯(lián)網(wǎng)之間的映射對(duì)應(yīng)，從而將物品信息記錄在網(wǎng)絡(luò)上，通過信息的相互傳輸以及交互，從而實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別、任意定位以及監(jiān)控管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而5G關(guān)鍵技術(shù)的成熟使得移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的速度更快，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器設(shè)備之間的通信，因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化，從而促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、高效率、環(huán)保、安全生產(chǎn)。

1.2 5G關(guān)鍵技術(shù)的成熟對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的影響

隨著國家科技水平的快速發(fā)展，現(xiàn)階段我國傳統(tǒng)的以人力為主要?jiǎng)恿Φ霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)逐漸難以滿足人們的日常生活需求。在3G時(shí)代，我國已經(jīng)開始了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的初步實(shí)行，通過信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，使得能夠進(jìn)行空間分析、定位、定時(shí)以及定量農(nóng)業(yè)操作的管理系統(tǒng)投入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的使用中，而4G技術(shù)更是進(jìn)一步普及并推進(jìn)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著5G技術(shù)的逐漸成熟，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)勢(shì)必會(huì)達(dá)到更高的準(zhǔn)確度、更快速的指令下達(dá)等高度，從而進(jìn)一步改變精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀。

二、5G移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸成熟，現(xiàn)階段，第4代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足人們的生活需求，因此，5G逐漸成為了世界通信公司的研究重點(diǎn)。2013年，歐盟啟動(dòng)了“構(gòu)建2020年信息社會(huì)的無線通信關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，各國紛紛將移動(dòng)通信的重點(diǎn)投入到了5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)上。相較于3G和4G，5G業(yè)務(wù)能力的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，5G的資源使用效率遠(yuǎn)高于4G，資料顯示，5G的資源利用率可以高出4G10倍以上；第二，5G的系統(tǒng)信息容量較之于4G提升了25倍之多，這也就意味著5G系統(tǒng)中的信息存儲(chǔ)量更多；第三，5G的射頻資源擴(kuò)展為原來的4倍，從而顯著提升了資源的共享程度。而在5G的發(fā)展過程中，以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是5G研發(fā)不可或缺的，現(xiàn)將其介紹如下：

2.1大規(guī)模天線陣列

單一天線的方向性是有限的，為適合各種場(chǎng)合的應(yīng)用，將工作在同一頻率的兩個(gè)或兩個(gè)以上的單個(gè)天線，按照一定的要求進(jìn)行饋電和空間排列構(gòu)成天線陣列，也叫天線陣。構(gòu)成天線陣的天線輻射單元稱為陣元。大規(guī)模天線陣列，也稱多入多出信息傳輸技術(shù)，它能夠顯著提升信息的傳輸安全性以及系統(tǒng)頻譜效率，并且，這種信息傳輸?shù)陌踩砸约跋到y(tǒng)頻譜效率是與天線數(shù)量成正比的，因此，天線的數(shù)量越多，性能的提升更明顯，基于這個(gè)原理，人們開始重視大規(guī)模天線陣列的研究?，F(xiàn)階段，大規(guī)模天線陣列技術(shù)主要包括集中式技術(shù)以及分布式技術(shù)兩種類型。集中式技術(shù)是指天線陣列的排布較為緊密，而分布式則恰好相反，我國的分布式天線陣列技術(shù)位居世界前列。大規(guī)模天線陣列的排布，不僅能夠有效提升空間分辨率，還能夠降低發(fā)射功率。

面向5G的大規(guī)模天線陣列主要是指位于建立在信號(hào)發(fā)射基站的天線系統(tǒng)，它的存在使得波束賦形、空間分集以及空間復(fù)用三者的同時(shí)使用成為了現(xiàn)實(shí)。波束賦形，是指對(duì)天線陣列信號(hào)進(jìn)行初級(jí)處理，通過天線系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整產(chǎn)生定向波束，從而達(dá)到提升傳輸安全性的目的。空間分集是指通過合并多根天線來進(jìn)行一個(gè)信號(hào)的處理，從而提高傳輸可靠性?？臻g復(fù)用，是指將同一波段在不同天線上重復(fù)利用，通過這種方式能夠提高無線傳輸容量。

2.2基于濾波器組的多載波技術(shù)

基于濾波器組的多載波技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)階段正交頻分復(fù)用技術(shù)無法完成的對(duì)閑散頻譜應(yīng)用這一功能，因此，現(xiàn)階段對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究也成為了5G技術(shù)的研究熱點(diǎn)。我國在進(jìn)行3G試驗(yàn)時(shí)，就已經(jīng)嘗試對(duì)基于濾波器組的多載波技術(shù)進(jìn)行使用，現(xiàn)階段該項(xiàng)技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)信息處理、圖像處理以及雷達(dá)信息處理等多個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。相較于正交頻分復(fù)用技術(shù)，基于濾波器組的多載波技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)子載波相互交互的簡(jiǎn)化，避免了過去對(duì)子載波進(jìn)行同步以及插入前綴等一系列復(fù)雜的工作。

現(xiàn)階段，科研人員在對(duì)5G的多載波技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，著重研究了廣義頻分復(fù)用技術(shù)以及通過濾波多載波技術(shù)。廣義頻分復(fù)用技術(shù)不需要對(duì)子載波進(jìn)行正交以及同步，同時(shí)簡(jiǎn)化了插入循環(huán)前綴的過程，從而使其在實(shí)際操作過程中極為快捷，并提高了閑雜頻譜的利用率。通過濾波多載波技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)了循環(huán)前綴以及子載波同步等工序的免除，在實(shí)際的操作過程中，只需要對(duì)其設(shè)定時(shí)域保護(hù)前綴，確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃约纯伞?/p>

2.3超密集網(wǎng)絡(luò)

由于5G對(duì)信息傳輸速度以及信息容量提出了新的要求，因此5G網(wǎng)絡(luò)中，一般包含了宏站以及低功率網(wǎng)絡(luò)小站等兩種類型的傳輸站點(diǎn)，并且，由于低功率小站的建設(shè)技術(shù)逐漸成熟，支持5G網(wǎng)絡(luò)的低功率小站密度將顯著提升，達(dá)到現(xiàn)階段的十倍以上，從而構(gòu)成超密集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。超密集網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的重要區(qū)別就在于超密集網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本能夠達(dá)到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶的對(duì)應(yīng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了信息容量、通信速率以及頻譜效率等多個(gè)方面的提升。但是超密集網(wǎng)絡(luò)也存在自身的缺點(diǎn)，例如，由于低功率小站的增多，使得這些網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)帶來的信息干擾也明顯增多。相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過無線回傳組網(wǎng)技術(shù)能夠消除低功率小站帶來的信息干擾，但是現(xiàn)階段，無線回傳組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用還存在著技術(shù)掌握不成熟的問題。

2.4自組織網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)，就是人們所說的智能化網(wǎng)絡(luò)。通過向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)賦予自組織能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的人工智能化以及分析處理信息能力的提升，從而顯著降低了人力資源成本的投入。在進(jìn)行自組織能力的引入時(shí)，需要包含自優(yōu)化、自配置以及自愈合能力等多個(gè)類型。現(xiàn)階段，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不能適用于多網(wǎng)共同使用，因此，5G網(wǎng)絡(luò)研究重點(diǎn)便是如何使自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在多網(wǎng)協(xié)同使用。上文提到，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采用超密集網(wǎng)絡(luò)，因此，現(xiàn)有的自組織能力難以滿足超密集網(wǎng)絡(luò)的使用需求，因此需要開發(fā)新技術(shù)來支持自組織能力的應(yīng)用；同時(shí)，超密集網(wǎng)絡(luò)帶來了多個(gè)信號(hào)源，信號(hào)源的增多使得干擾較之前增加，這也會(huì)對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用帶來困擾。如何實(shí)現(xiàn)自優(yōu)化、自配置在超密集網(wǎng)絡(luò)下的有效應(yīng)用，是自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要著重解決的問題。

2.5全雙工復(fù)用

全雙工技術(shù)是指信息傳輸?shù)碾p方在同一網(wǎng)絡(luò)頻率下進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)，它能夠有效降低信息傳輸?shù)难菔?，并促進(jìn)提升頻譜效率。但是現(xiàn)階段的4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還不能實(shí)現(xiàn)全雙工通信，因此，如何使得全雙工技術(shù)成熟并應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)中，是5G系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題。

全雙工通信應(yīng)用遭遇的難點(diǎn)是同一頻率下的信息傳遞存在著嚴(yán)重的信號(hào)干擾，想要消除這種干擾，需要考慮發(fā)射信號(hào)的非線性失真，同時(shí)，為避免信息傳輸?shù)娘柡?，需要將信息接收端的?數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率進(jìn)行限制?，F(xiàn)階段，針對(duì)以上問題的想法還沒有通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，這將是5G系統(tǒng)亟待解決的問題。

2.6軟件定義網(wǎng)絡(luò)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN（Software Defined Network）是由美國斯坦福大學(xué)CLean State研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其顧名思義，就是通過中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)設(shè)備的控制功能的統(tǒng)一控制，從而簡(jiǎn)化分設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離?？赏ㄟ^軟件編程的形式定義和控制網(wǎng)絡(luò)，其控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離及開放性可編程的特點(diǎn)，被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，為新型互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究提供了新的實(shí)驗(yàn)途徑，也極大地推動(dòng)了下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。由于我國4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置存在參差不齊的情況，網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理難度極大，阻礙了軟件定義網(wǎng)絡(luò)管理的統(tǒng)一化，因此，在5G系統(tǒng)中，需要重點(diǎn)解決的問題是實(shí)現(xiàn)各大運(yùn)營(yíng)商對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的共同管理以及基礎(chǔ)設(shè)施的共享，從而降低運(yùn)營(yíng)商的投入成本。

2.7內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是指通過緩存服務(wù)器將用戶的網(wǎng)絡(luò)連接導(dǎo)向離用戶最近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將本節(jié)點(diǎn)流媒體資源庫中的指定內(nèi)容，根據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商定義的內(nèi)容分發(fā)策略向下層節(jié)點(diǎn)推送（PUSH）。下層節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)通知下層內(nèi)容管理系統(tǒng)登記接收，該節(jié)點(diǎn)以內(nèi)容注入的方式接收分發(fā)的內(nèi)容。從技術(shù)上解決網(wǎng)絡(luò)帶寬小、用戶訪問量大、網(wǎng)點(diǎn)分布不均等對(duì)用戶訪問效果的影響，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度。從而避免了由于訪問量過大、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)荷過重導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)崩潰以及響應(yīng)緩慢等問題[6]。

三、5G在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用前景

2014年，我國政府頒布的《5G愿景與需求》詳細(xì)描述了5G對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活將帶來的改變。白皮書對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要具備的能力提出了明確的要求，確保其具有足夠的覆蓋范圍以及靈活性，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的結(jié)合 。

2015年，我國政府又頒布了《5G概念》白皮書，書中對(duì)無線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普及的關(guān)鍵技術(shù)做了闡述，并分析了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在推廣時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題，并對(duì)新型農(nóng)業(yè)中低功耗大連接場(chǎng)景、新型多址技術(shù)等做了規(guī)劃要求。

2016年我國又發(fā)布了《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)》白皮書，書中對(duì)新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案做了介紹。同時(shí)，指出想要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在我國的普及以及高效運(yùn)行，需要積極研發(fā)移動(dòng)邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片按需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)能力開放等創(chuàng)新技術(shù)，從而促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中“萬物物聯(lián)”的愿景。

四、結(jié)語

截至目前，我國政府針對(duì)5G技術(shù)以及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面共發(fā)布了5本白皮書，這些白皮書勾勒出了一個(gè)清晰的5G輪廓，在未來的發(fā)展過程中，各國研究人員需要積極對(duì)上述的7項(xiàng)5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，加速關(guān)鍵技術(shù)的成熟，并加快建立5G通信網(wǎng)絡(luò)，從而促進(jìn)其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何曉露.5G無線網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵技術(shù)[J/OL].電子技術(shù)與軟件工程，2018（23）：1[2018-12-16].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20181213.1122.004.html.

[2]張冰，董宏偉，魏月娥.互聯(lián)網(wǎng)+精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅及應(yīng)對(duì)[J].中國電信業(yè)，2018（11）：40-43.

[3]易芝玲，崔春風(fēng)，韓雙鋒，潘成康，陳亞迷.5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J/OL].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（05）：1-6[2018-12-16].

[4]王高芳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中的應(yīng)用[A].中國氣象學(xué)會(huì).第35屆中國氣象學(xué)會(huì)年會(huì)S14大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、融媒體時(shí)代氣象服務(wù)的創(chuàng)新與變革——第八屆氣象服務(wù)發(fā)展論壇[C].中國氣象學(xué)會(huì)：中國氣象學(xué)會(huì)，2018：3.

[5]譚紫陽.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（08）：20-21.

[6]嚴(yán)蕾.5G關(guān)鍵技術(shù)及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程，2016，40（02）：8-11.

注釋：

何曉露.5G無線網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵技術(shù)[J/OL].電子技術(shù)與軟件工程，2018（23）：1[2018-12-16].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20181213.1122.004.html.

張冰，董宏偉，魏月娥.互聯(lián)網(wǎng)+精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅及應(yīng)對(duì)[J].中國電信業(yè)，2018（11）：40-43.

易芝玲，崔春風(fēng)，韓雙鋒，潘成康，陳亞迷.5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J/OL].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（05）：1-6[2018-12-16].

王高芳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中的應(yīng)用[A].中國氣象學(xué)會(huì).第35屆中國氣象學(xué)會(huì)年會(huì)S14大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、融媒體時(shí)代氣象服務(wù)的創(chuàng)新與變革——第八屆氣象服務(wù)發(fā)展論壇[C].中國氣象學(xué)會(huì)：中國氣象學(xué)會(huì)，2018：3.

譚紫陽.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（08）：20-21.

嚴(yán)蕾.5G關(guān)鍵技術(shù)及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程，2016，40（02）：8-11.